摘 要:綜述從虛擬現(xiàn)實的概念、分類和功能開始，介紹了虛擬現(xiàn)實在提高教育教學(xué)質(zhì)量和教育改革中的作用，以及在現(xiàn)實的教學(xué)過程中，人們對于虛擬現(xiàn)實的態(tài)度，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實存在的問題，并提出了虛擬現(xiàn)實的前景展望。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實 學(xué)習(xí)環(huán)境 教學(xué)改革

中圖分類號:G632 文獻標(biāo)識碼:A文章編號: 1673-1875(2008)10-038-03

一、虛擬現(xiàn)實概念及功能

虛擬現(xiàn)實（簡稱VR:Virtual Reality）是指用立體眼鏡、傳感手套等一系列傳感輔助設(shè)施來實現(xiàn)的一種三維現(xiàn)實，人們通過這些設(shè)施以自然的方式向計算機送入各種動作信息，并且通過視覺、聽覺以及觸覺設(shè)施使人們得到三維的視覺、聽覺及觸覺等感覺世界。目前，虛擬現(xiàn)實內(nèi)涵已經(jīng)大大擴展，像“人工現(xiàn)實（Artificial Reality）”、 “虛擬環(huán)境”（Virtual Environment）、“賽伯空間”（Cyberspace）等，都可以認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實的不同術(shù)語或形式。事實上，虛擬實現(xiàn)技術(shù)不僅僅是指那些戴著頭盔和手套的技術(shù)，而且還應(yīng)該包括一切與之有關(guān)的具有自然模擬、逼真體驗的技術(shù)與方法，它的根本目標(biāo)就是達到真實體驗和基于自然技能的人機交互，能夠達到或者部分達到這樣目標(biāo)的系統(tǒng)就稱為虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[1]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征是沉浸性、交互性和多感知性，這些特性描述了使用者以近乎自然的方式與系統(tǒng)進行交互，并獲得視、聽和觸等感覺，達到身臨其境的感受。

1、虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的分類

VR最本質(zhì)的特征用戶對虛擬場景的沉浸，根據(jù)用戶參與VR的不同形式以及沉浸的程度不同，我們可以把各種類型的虛擬現(xiàn)實技術(shù)劃分四類:

（1）桌面級的虛擬現(xiàn)實

桌面虛擬現(xiàn)實利用個人計算機和低級工作站進行仿真，各種外部設(shè)備一般用來駕馭虛擬境界。常見桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)有:基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實QuickTime VR、虛擬現(xiàn)實造型語言VRML、桌面三維虛擬現(xiàn)實、MUD等。

（2）投入的虛擬現(xiàn)實

高級虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)提供完全投入的功能，使用戶有一種置身于虛擬境界之中的感覺。它利用頭盔式顯示器或其它設(shè)備，提供一個虛擬的感覺空間，并利用位置跟蹤器、數(shù)據(jù)手套、其它手控輸入設(shè)備、聲音等使得參與者產(chǎn)生一種身在虛擬環(huán)境中、并能全心投入和沉浸其中的感覺。

（3）增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實

增強現(xiàn)實性的虛擬現(xiàn)實不僅是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來模擬現(xiàn)實世界、仿真現(xiàn)實世界，而且要利用它來增強參與者對真實環(huán)境的感受，也就是增強現(xiàn)實中無法感知或不方便感知感受。

（4）分布式虛擬現(xiàn)實

如果多個用戶通過計算機網(wǎng)絡(luò)連接在一起，同時參加一個虛擬空間，共同體驗虛擬經(jīng)歷，那虛擬現(xiàn)實則提升到了一個更高的境界，這就是分布式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)[2]。

2、虛擬現(xiàn)實的功能

人們探索出了虛擬現(xiàn)實的許多功能，主要有:

1、模擬顯現(xiàn)出那些現(xiàn)實中存在的，但在課堂教學(xué)環(huán)境下用別的方法很難做到，或者需要花費很大代價才能顯現(xiàn)的各種事物。比如發(fā)動機的運行過程。

2、讓學(xué)生學(xué)習(xí)一些特殊的學(xué)習(xí)內(nèi)容。這些內(nèi)容中包含的某些事物在實際中通常數(shù)最或形狀太大、太小，或具有時間性，用別的方法很難觀察和驗證。比如教授各種自然現(xiàn)象的形成方面的內(nèi)容時。

3、模擬出遠在千里之外的人物、事件，或者模擬出關(guān)于世界某地的某個事物的詳細圖像和文字資料。例如，生物中袋鼠的學(xué)習(xí)。

4、模擬出抽象概念的內(nèi)容，如數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)公式等。

5、模擬出具有不同哲學(xué)觀點或理論的多個歷史人物，通過這些歷史人物的交談、論爭，來讓學(xué)生學(xué)習(xí)歷史或哲學(xué)方面的學(xué)習(xí)材料。

6、為地域上遠隔萬里的學(xué)習(xí)者提供合作學(xué)習(xí)和討論的環(huán)境。

虛擬學(xué)習(xí)的理論基礎(chǔ)是建構(gòu)主義。該理論認(rèn)為知識不是通過教師傳授得到的，而是學(xué)習(xí)者在一定的情境（即社會文化背景）下，借助他人（包括教師和學(xué)習(xí)伙伴）的幫助，利用必要的學(xué)習(xí)資料，通過意義建構(gòu)方式而獲得的[3]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用一般有四個方面:知識學(xué)習(xí)、探索學(xué)習(xí)、虛擬實驗、技能訓(xùn)練。

3、教學(xué)中常用的幾種VR技術(shù)

（1）基于靜態(tài)圖像的虛擬現(xiàn)實技術(shù)——QTVR

QuickTime VR（QTVR）是一種基于靜態(tài)圖像的、在微機平臺上能夠?qū)崿F(xiàn)的初級虛擬現(xiàn)實技術(shù)。它的基本特點是能夠?qū)崿F(xiàn)對一個物體或空間進行360度全景觀察。利用它來創(chuàng)建虛擬場景，我們可以在一個大廳里環(huán)繞四周，以任意一個角度觀察這個空間，也可以圍繞某一個物體，在360度的范圍觀察它。

設(shè)備簡單、兼容性好、數(shù)據(jù)量小、高度的現(xiàn)實性和制作簡單是QTVR的鮮明特點，這些特點使其以極低的制作成本獲得一定程度的虛擬現(xiàn)實體驗。教學(xué)過程中的很重要的一個過程就是呈獻知識信息，而QTVR在呈獻知識信息方面有著獨特的優(yōu)勢，它可以在廣泛的科目領(lǐng)域提供無限的VR體驗。

（2）虛擬現(xiàn)實建模語言VRML

VRML（Virtual Reality Modeling Language）即虛擬現(xiàn)實建模語言，是一種用于建立真實世界的場景模型或人們虛構(gòu)的三維世界的場景建模語言。也就是說，它是用來描述三維物體及其行為的，可以構(gòu)建虛擬境界。VRML的基本目標(biāo)是建立因特網(wǎng)上的交互式三維多媒體，基本特征包括分布式、三維、交互性、多媒體集成、境界逼真性等，它是目前Internet上基于 WWW的三維互動網(wǎng)站制作的主流語言[4]。

(3) MUD/MOO

MUD是 Multiple User Dungeon 的簡稱，是一個通過網(wǎng)絡(luò)連接的、多用戶參與的、可由用戶自主擴展的、主要基本文本表示的虛擬現(xiàn)實環(huán)境。這個環(huán)境通常代表了一定的現(xiàn)實環(huán)境，如城市、校園、建筑物，甚至還可以是一些想象的空間，如曠野、孤島等。當(dāng)用戶進入到這個虛擬世界后，就象在現(xiàn)實世界一樣，需要了解這個環(huán)境，與這個環(huán)境中的人和物進行交流，如到處漫游，與他人交談，加入討論，和其它用戶進行秘密交談，操作某個地方的對象（播放錄象帶、使用工具等）或者漫游到其它地方去。

二、虛擬現(xiàn)實在教學(xué)中的應(yīng)用

由于這種新式計算機技術(shù)在教學(xué)中具有很大的潛能，很多研究者都在進行這方面的探索和研究。第一個把虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用于教學(xué)的實驗研究是由馬克·麥瑞凱爾(MARK·MERIKEL)進行的。該實驗研究的主要目的是想要確定:學(xué)生在運用計算機虛擬圖像學(xué)習(xí)時，是否會促進學(xué)生對空間問題的解決能力。參加實驗的學(xué)生可以利用頭戴式顯示屏和數(shù)據(jù)信號操縱桿，在模擬的“電腦空間”景物中前進、后退、旋轉(zhuǎn)飛行或移動物體，還可以模擬打網(wǎng)球和進行戶外旅行。實驗結(jié)果表明，這種“電腦空間”模擬技術(shù)在教學(xué)中很有實用價值，很有可能成為一種高效的課堂教學(xué)工具。

1、分布式虛擬環(huán)境對高校教學(xué)的影響

分布式虛擬環(huán)境是虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展和結(jié)合的產(chǎn)物。分布式虛擬環(huán)境的目標(biāo)是利用計算機構(gòu)造一個真實世界的模擬，地理上分布的多個用戶可以通過網(wǎng)絡(luò)共享該環(huán)境，選擇一個虛擬化身代替自己與該環(huán)境和在相互之間進行交互。它提供給用戶更具有沉浸感和交互性的人機界面和相互交流的方式，與現(xiàn)在二維界面相比，人們可以更加直觀方便地操作日益復(fù)雜的信息。

（1）有利于挖掘高校潛能

引入虛擬現(xiàn)實高技術(shù)可改善高等教育的教學(xué)環(huán)境，擴大高校的承載能力，適應(yīng)當(dāng)前我國高校擴招的發(fā)展需求。

（2）建設(shè)“常新”型的實驗實訓(xùn)基地

利用多媒體技術(shù)，半實物仿真與虛擬現(xiàn)實相結(jié)合的方法，建造虛擬演練的現(xiàn)代化實驗實訓(xùn)基地，其“設(shè)備”或“部件”多是“虛擬”的，可根據(jù)發(fā)展需要重新“生成”新設(shè)備，也可使“設(shè)備”和教學(xué)內(nèi)容在虛擬環(huán)境中不斷更新，使實踐訓(xùn)練及時跟上技術(shù)的發(fā)展。

（3）促進數(shù)字化校園的建設(shè)

虛擬現(xiàn)實所需的超高速、多媒體的數(shù)據(jù)傳輸，大容量的數(shù)據(jù)存儲，以及數(shù)據(jù)處理的分布式與并行化無疑是促進高校信息化建設(shè)的催化劑。它能為教育技術(shù)專業(yè)隊伍提供一個高起點的科研環(huán)境，促進教育技術(shù)學(xué)的學(xué)科建設(shè)更上一個新層次。

（4）發(fā)展虛擬教學(xué)

教學(xué)活動的空間和時間得到了無形擴展，將進一步向虛擬課堂、虛擬大學(xué)發(fā)展。虛擬現(xiàn)實也將為高校擴大招生后設(shè)置的分校和遠程教育教學(xué)點提供可移動的電子教學(xué)場所，使資源由一校“獨占”變?yōu)槎嘈！肮蚕怼?。通過交互式遠程教學(xué)的課程目錄和網(wǎng)站，由局域網(wǎng)工具作校園網(wǎng)站的鏈接，可對各個行業(yè)提供開放性的、遠距離的繼續(xù)教育，及其急需的課程教學(xué)，還可為社會提供新技術(shù)和高等職業(yè)培訓(xùn)的機會[5]。

綜上所述，虛擬現(xiàn)實技術(shù)進入高校教學(xué)的研究將對探索、發(fā)展現(xiàn)代教育思想、提高教育技術(shù)水平、改善實驗實訓(xùn)環(huán)境、優(yōu)化教學(xué)過程，培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的人才產(chǎn)生深遠的影響。綜合運用多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，還可避免采用數(shù)據(jù)頭盔等極其昂貴設(shè)備的半實物仿真方案，能充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的集成性、控制性和交互性的特點，這種運用還可向網(wǎng)絡(luò)學(xué)校、虛擬教育延伸。

2、虛擬現(xiàn)實與教學(xué)改革

教學(xué)改革的目標(biāo)是實現(xiàn)教學(xué)現(xiàn)代化，提高教學(xué)效益和質(zhì)量，全面提高學(xué)生素質(zhì)。然而，教學(xué)現(xiàn)代化并非只是設(shè)備的現(xiàn)代化，它應(yīng)包含更深刻的含義，包括:教學(xué)觀念的現(xiàn)代化、教學(xué)內(nèi)容的現(xiàn)代化、教學(xué)手段的現(xiàn)代化。

(1)教學(xué)觀念的變化

現(xiàn)代化的教學(xué)方法教與學(xué)的合作化，以講授引導(dǎo)思維，以教導(dǎo)激發(fā)感情，并賦予學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性。虛擬現(xiàn)實教學(xué)有利于創(chuàng)造這樣的環(huán)境，以學(xué)生為中心的個別化教學(xué)、合作化教學(xué)和環(huán)境中自我探究得以真正實現(xiàn)。從多媒體虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的組織形式看，虛擬現(xiàn)實是非線性的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，逼真的虛擬環(huán)境可提供良好的人機交互功能，在這個基礎(chǔ)上教學(xué)內(nèi)容的組織安排將特別強調(diào)由學(xué)生主動參與來構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，變學(xué)生的“被動聽講”為“主動學(xué)習(xí)”，由“要我學(xué)”轉(zhuǎn)變?yōu)椤拔乙獙W(xué)”。在這種情況下，教材的意義也將由傳統(tǒng)的“教材控制”轉(zhuǎn)變?yōu)椤皩W(xué)習(xí)者控制”，教學(xué)內(nèi)容外在形式的生動化與內(nèi)在結(jié)構(gòu)的科學(xué)化將更緊密的結(jié)合起來，這種環(huán)境將極大地促進教學(xué)觀念發(fā)生變化。

(2)教學(xué)內(nèi)容的變化

多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引入使教學(xué)內(nèi)容無論是外在形式還是內(nèi)在結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了很大的變化。

①教學(xué)內(nèi)容外在形式的變化

教育技術(shù)的發(fā)展為使用具有人機交互的多媒體技術(shù)進行教學(xué)提供了條件。多媒體信息表現(xiàn)形式多樣，對于抽象的、概括的概念、原理，除了用文字和語音協(xié)同描述外，還可以用三維實景虛擬現(xiàn)實過程，對于不可視的變化、無法觸摸的物體或有危險的場所，甚至自然界或現(xiàn)實生活中不可能存在的事件，也可以通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)去展現(xiàn)。而且，同一教學(xué)內(nèi)容還可以用多種信息形式來表現(xiàn)。

②教學(xué)內(nèi)容的內(nèi)在結(jié)構(gòu)的變化

使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)后，多種媒體的信息通過網(wǎng)絡(luò)化超鏈接，就可以接近人類認(rèn)知特點的方式去組織和展示教學(xué)內(nèi)容、構(gòu)建知識結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)狀的信息組織方式是一種非線性結(jié)構(gòu)，鏈?zhǔn)侵R之間的層級邏輯關(guān)系。虛擬現(xiàn)實與普通多媒體是多媒體信息處理的高度集成，把信息的組織形式與信息內(nèi)容呈現(xiàn)的多樣性、復(fù)雜性結(jié)合起來，為學(xué)生提供了一種動態(tài)、開放的結(jié)構(gòu)化認(rèn)知形式，它既包括了學(xué)科的基本內(nèi)容，又包括了學(xué)科內(nèi)容之間的邏輯關(guān)系，既注重知識的形成過程，又注重知識的結(jié)構(gòu)。

③教學(xué)手段的變化

多媒體虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程后，可以促使教學(xué)手段向科學(xué)化、高效益方向發(fā)展，其變化可以體現(xiàn)在:互動啟發(fā)式教學(xué)、發(fā)現(xiàn)式教學(xué)、協(xié)同工作式教學(xué)、情境式教學(xué)等方面[6]。

虛擬現(xiàn)實在遠程的教學(xué)中還有其重要的作用，如彌補實驗場地、教學(xué)經(jīng)費等方面教學(xué)條件的不足，避免真實實驗的危險，打破時間空間的限制，虛擬人物形象等等。

三、存在的問題

對于虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境(Virtual Learning Environments，VLEs），學(xué)生、教師和教育機構(gòu)所持的觀點，并不是完全一致的，通過調(diào)查，對這些觀點的研究和總結(jié)進行了概括，見下表[7]。

非常明顯，在教育環(huán)境中對于各方來說，虛擬學(xué)習(xí)所體現(xiàn)的優(yōu)點是不同的。對于那些不愿意在教學(xué)活動中采用虛擬學(xué)習(xí)的人來說，虛擬學(xué)習(xí)最大的缺點就是它的不確定性和不可知性，這意味著虛擬學(xué)習(xí)還有很多的潛力沒有顯現(xiàn)出來。我們希望通過研究和調(diào)查把虛擬學(xué)習(xí)的那種潛在的力量轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實的教育收益。我們主要從以下兩個方面人手:一方面，找出不愿意在教學(xué)過程使用虛擬學(xué)習(xí)的合適理由，克服那些阻礙運用虛擬學(xué)習(xí)的不確定因素;另外一方面，糾正錯誤的觀點，建立相關(guān)的機制和條款，從而確保虛擬學(xué)習(xí)的順利推行。

目前由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)尚處于開拓期，還存在著許多尚未解決的理論問題和尚未克服的技術(shù)障礙，如硬件對圖形的處理效率尚處探索階段;虛擬現(xiàn)實技術(shù)對觸覺的模擬還有不足，對嗅覺、味覺的模擬尚未實現(xiàn)等，實時通信、大規(guī)模用戶交互的方面尚處探索階段[8]。

為了讓虛擬現(xiàn)實技術(shù)能在教學(xué)中得到廣泛的應(yīng)用，我們需要從沉浸性和實時交互性、計算機性能以及人工智能等幾項關(guān)鍵技術(shù)入手進行研究。

桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)仍然處于發(fā)展之中，相關(guān)開發(fā)工具還不夠成熟，許多關(guān)鍵技術(shù)仍有待解決。這一現(xiàn)狀導(dǎo)致在教育教學(xué)中應(yīng)用桌面虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在著概念模糊不清、技術(shù)門檻高、應(yīng)用范圍廣且雜的特點。國內(nèi)已有一些學(xué)者和研究機構(gòu)在這一領(lǐng)域開展了卓有成效的研究工作，但面對這一新媒體技術(shù)在教育中應(yīng)用引起的諸多問題，仍需不斷研究實踐。

另外，在網(wǎng)絡(luò)虛擬遠程教育和虛擬社區(qū)中的道德問題，也是我們不能回避的新挑戰(zhàn)，虛擬網(wǎng)絡(luò)道德和行為會對整個的虛擬教學(xué)產(chǎn)生影響。

四、虛擬技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的前景展望

隨著信息時代的迅速到來，現(xiàn)代化教學(xué)手段迅速進入教學(xué)領(lǐng)域，要求我們必須打破幾百年來保持的教育辦學(xué)模式和傳統(tǒng)的教學(xué)基礎(chǔ)技術(shù)，建立集中體現(xiàn)創(chuàng)造性、智能性、科學(xué)性程度高度發(fā)展的現(xiàn)代教育模式和現(xiàn)代教育技術(shù)，正是這些客觀的要求，成了虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)的依據(jù)。隨著虛擬現(xiàn)實硬件系統(tǒng)以及虛擬現(xiàn)實境界構(gòu)造程序和有關(guān)數(shù)據(jù)庫等軟件系統(tǒng)的完善，在不久的將來虛擬現(xiàn)實技術(shù)將在未來教育教學(xué)中發(fā)揮巨大的作用。

最后，我認(rèn)為，許多問世時沒有引起人們足夠重視的新技術(shù)最終起到了改變世界的作用，電腦如此、互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)也是如此。盡管今天虛擬現(xiàn)實技術(shù)還沒有引起人們的足夠重視，但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實正掀開其神秘的面紗，逐漸走進教學(xué)。以后隨著虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的價格不斷下降，軟件的適用性不斷增強，這種新的教學(xué)媒體必將廣泛應(yīng)用于教學(xué)。利用這種新的教學(xué)技術(shù)，可以創(chuàng)設(shè)建構(gòu)主義主張的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以支持研究性學(xué)習(xí)、協(xié)作學(xué)習(xí)、探究學(xué)習(xí)，可以構(gòu)建虛擬實驗室來提高我們的實踐能力、促進學(xué)習(xí)遷移，同時為我們節(jié)省大量的資金。但我們也應(yīng)注意到，新技術(shù)的產(chǎn)生并非就是我們教育技術(shù)促進學(xué)生學(xué)習(xí)目的的達到，愛迪生對電視的預(yù)言就是一個明顯的例子，技術(shù)的發(fā)展為我們提供了一種教學(xué)的手段，在教學(xué)中并不是手段決定論，而是需要決定論。在虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)有效促進學(xué)生學(xué)習(xí)的過程中，我們還有較長的一段路要走。

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